La legge di Kirchhoff sulla radiazione termica esiste da 160 anni. Afferma, molto semplicemente, che la capacità di una superficie di assorbire calore deve corrispondere alla sua capacità di emetterlo alla stessa lunghezza d’onda e allo stesso angolo. Reciprocità. È una regola che fa sembrare il controllo dell’energia termica come cercare di trattenere il fumo. Abbiamo già trovato soluzioni alternative. Erano inefficienti. Erano volatili.
Adesso abbiamo una via d’uscita.
Un team internazionale di ricercatori ha pubblicato uno studio su Laser & Photonics Reviews dimostrando che è possibile infrangere questa legge vecchia di decenni. Disaccoppiando l’assorbimento dalle emissioni, hanno creato le condizioni per il calore programmabile.
Il trucco del magnete
La svolta non viene dalla chimica. Deriva dalla manipolazione della luce con un campo magnetico.
Questo cambia tutto sul comportamento del calore. Ora è possibile controllare la direzione dell’emissione. L’interruttore può essere attivato o disattivato. E forse la cosa più sorprendente è che il sistema ricorda il suo stato anche dopo un’interruzione della corrente.
“Abbiamo fatto sì che la radiazione termica si comportasse in modo più intelligente”, afferma Shunsuke Murai, fisico dell’Università metropolitana di Osaka.
Il dispositivo che rende ciò possibile è un metagrating. È una bestia ibrida. Combina una sostanza magneto-ottica con un materiale a cambiamento di fase.
Pensa al componente di cambiamento di fase come a un banco di memoria. Se ti piacciono i media fisici, questa parte potrebbe sembrare familiare. La lega utilizzata qui è Ge₂Sb₂Te₅. Questo è germanio, antimonio e tellerio. È lo stesso materiale utilizzato nei CD e DVD riscrivibili per archiviare i dati. Passa dallo stato disordinato (amorfo) a quello ordinato (cristallino).
La parte “reticolo” è l’altra metà dell’equazione. Piccole creste progettate con precisione intrappolano e incanalano la luce in entrata. Ciò rende l’interazione gestibile in un modo che i sistemi precedenti non lo erano.
Regolazione della temperatura
Come funziona concretamente il calore programmabile? Non puoi semplicemente indovinare. Ti adegui.
Modificando tre cose, i ricercatori possono programmare il comportamento di assorbimento desiderato:
– L’angolo della luce incidente.
– L’intensità del campo magnetico applicato.
– Le dimensioni fisiche dei colmi del grigliato.
Fatelo e otterrete un assorbimento senza emissione reciproca. La lunghezza d’onda operativa dell’assorbitore non reciproco si sposta su un’ampia gamma spettrale semplicemente modificando l’angolo.
Questa flessibilità suggerisce applicazioni che vanno ben oltre il laboratorio. Sensori infrarossi intelligenti. Dispositivi di energia termica più efficienti. Tecnologia di memoria fotonica che memorizza informazioni utilizzando luce e calore anziché cariche elettriche.
“Il nostro obiettivo finale è sviluppare dispositivi compatti che controllino attivamente la radiazione termica, proprio come i circuiti elettronici controllano il flusso di elettricità.” – Koichi Okamoto, Università metropolitana di Osaka
La cattura
È teorico in questo momento.
La fisica e la matematica sono solide. I modelli sono rigorosi. Ma non esiste ancora un prototipo fisico. Siamo nella fase di “aprire la strada”.
E non è senza attriti. I ricercatori notano nel loro articolo che lo studio si è concentrato principalmente sull’assorbimento. L’emissione è stata presupposta piuttosto che esplorata in dettaglio granulare. Inoltre, è necessario un campo magnetico esterno per far sì che ciò accada. Questa è una ruga. Un componente in più. Un potenziale ostacolo.
Ma dato che le leggi della fisica sono state create per essere messe in discussione, è difficile sostenere che questo sia un ostacolo.
Questo lavoro stabilisce un quadro per il controllo termico attivo e non reciproco. La fotonica termica su scala chip è all’orizzonte. La domanda non è se funziona sulla carta. La questione è se possiamo costruirlo.
